渦街流量計的工作原理是什么？

渦街流量計就是利用“渦街”來測量流量的儀表。什么是“渦街”呢？在一定的條件下，當(dāng)流體繞過一個障礙物繼續(xù)向前后，旋渦像街燈一樣在障礙物的兩側(cè)交替排列，因而得名“渦街”。該現(xiàn)象由航天工程學(xué)家（同時也是錢學(xué)森的導(dǎo)師）馮·卡門（Theodore von Kármán）發(fā)現(xiàn)，因此也被稱為“卡門渦街”。

圖表 1 卡門渦街

圖表 2 卡門渦街示意圖

如何利用渦街測量流量呢？當(dāng)我們用如下關(guān)系式來描述管道中卡門渦街的頻率f和流體流速v之間的關(guān)系時，

假設(shè)St為一個正的常數(shù)，那么這個式子就是一個線性的關(guān)系式，流速v越大，卡門渦街的發(fā)生頻率f也越快。

圖表 3 流速越大，卡門渦街的發(fā)生頻率也越快

當(dāng)我們測量出這個頻率值f，也就能算出管道中流體的流速v，再根據(jù)公式：

就可以算出體積流量Q了。這就是渦街流量計的工作原理，本文結(jié)束。

才怪?。ㄊ謩庸砟槪?/p>

上文遺漏了一個關(guān)鍵信息，我們憑什么假設(shè)St是一個正的常數(shù)呢？事實上我們并沒有一個公式來預(yù)先算出St的數(shù)值，它就是通過卡門渦街實驗來進行測定的。歷史上的研究者們在流道中放上不同形狀的障礙物，然后讓流體在不同速度下繞過障礙物向前流動。經(jīng)過一次次地測量卡門渦街的頻率后，研究者們發(fā)現(xiàn)，St的數(shù)值只與障礙物的形狀和流體的雷諾數(shù)（Re）相關(guān)。簡單來說，Re是用來描述流體流動狀態(tài)的無量綱數(shù)，知道了流體的Re后可以判斷它屬于層流還是湍流。關(guān)于Re的具體含義會在文末介紹，這里先寫出它的定義式：

可以看出，Re的數(shù)值與流體的流速v密切相關(guān)。在不斷地試驗中研究者們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)處于一定區(qū)間時，St數(shù)近似為常數(shù)。對于圓柱障礙物（即圓形橫截面障礙）而言，這個常數(shù)為0.2。

圖表 4 圓柱障礙物條件下斯特羅哈數(shù)（St）和雷諾數(shù)（Re）的實驗數(shù)據(jù)關(guān)系

需要注意的是，St與Re的關(guān)系并不一定像上圖那樣是上升趨勢，若障礙物的形狀不同也可能呈現(xiàn)下降趨勢，St數(shù)為常數(shù)的區(qū)間也會隨著障礙物的形狀而改變。卓然天工渦街流量計采用的是三角柱障礙物（即截面形狀為類三角形），底邊朝向流體的來流方向。

圖表 5 卓然天工FMVT200-DN50帶溫壓補償渦街流量計

圖表 6 三角柱卡門渦街

此結(jié)構(gòu)下的St數(shù)和Re數(shù)的關(guān)系如下圖所示，線性測量區(qū)域下限要求Re＞4000，上限值則需要查表確定。

圖表 7 渦街流量計的線性測量區(qū)域

當(dāng)管道中流體的Re數(shù)值處于線性測量區(qū)域中時，卓然天工渦街流量計利用壓電傳感器檢測渦街帶來的流體壓力波動并得出渦街的頻率f，再根據(jù)式（1）和（2）就可以算出管道內(nèi)的流速v和體積流量Q了。

什么是雷諾數(shù)（Re）？

雷諾數(shù)（Re）是一個用來描述流體流動狀態(tài)的無量綱數(shù)（類似的無量綱數(shù)還有很多）。光憑直覺我們就能想象出，流體的流動狀態(tài)與流速緊密相關(guān)，當(dāng)管道中的流體流速較慢時，整個流動狀態(tài)平穩(wěn)、恒定。

圖表 8 透明的層流水柱

而當(dāng)流速變得很快時，流體的流動狀態(tài)就會變得劇烈、紊亂。

圖表 9 劇烈的湍流水柱

不同種類的流體究竟在什么情況下才會由層流逐漸轉(zhuǎn)變成湍流呢？英國物理學(xué)家雷諾（Osborne Reynolds）結(jié)合流體的密度、流速、粘度和管道的直徑四個參數(shù)得到了一個無量綱（即沒有單位）的數(shù)，并在實驗中發(fā)現(xiàn)此數(shù)能很好地估計實際管路中流體的流動狀態(tài)。這個數(shù)就被命名為雷諾數(shù)（Re）：

無論何種流體，只要我們能算出它在流動時的Re數(shù)，就可以知道它實際流動時究竟是層流還是湍流。通常我們認(rèn)為Re＜2000時為層流，Re＞4000時為湍流，處于二者之間時為層流到湍流的過渡形態(tài)。

在物理意義層面上，雷諾數(shù)可以被認(rèn)為是流體流動過程中慣性力和粘性力的比值。當(dāng)雷諾數(shù)很小時，流體的流動狀態(tài)像是管中心的高速層一層一層地“粘”著流體往前移動，越靠近管壁的流層流速越低（畢竟管壁是靜止不動的），流體整體呈現(xiàn)層流狀態(tài)；而雷諾數(shù)很大時，慣性力占主導(dǎo)地位，各流層之間相互干擾，微小地旋渦、回流充滿了整個流道，流體整體呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。

圖表 10 層流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）的流速分布